黄土斜坡场地动力特性的现场测试和数值模拟_张荣.pdf

Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期169黄土斜坡场地动力特性的现场测试和数值模拟*张荣1王彬2(1武汉铁路职业技术学院，武汉430205;2中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)摘要:为研究黄土斜坡场地的动力特性，对宝兰高铁秦安天水南段某路基段斜坡场地进行现场振动测试，并利用有限元软件分别建立了在地震激励、列车激励以及地震、列车耦合激励作用下黄土斜坡场地模型。运用二维等价线性时程响应动力分析法对不同振源下黄土斜坡场地的动力响应进行计算，分析不同激励作用下黄土斜坡的场地效应以及土体参数对振动传播的影响。研究发现:列车激振波主要集中在 1080 Hz频段，坡面和坡顶对振动有明显的放大作用。另外，地震波与列车运行激振波在时域和频域均存在很明显的差异，列车激励引起的黄土斜坡场地的振动振波分布比较集中，单峰值有规律的出现，而地震波波形分布离散，地震波主要集中在 0.125 Hz 频段。同时黄土斜坡场地出现振动放大的位置不仅受到振动激励的影响，还与土体弹性模量密切相关。关键词:现场测试;振动激励;黄土斜坡;场地效应;动力响应DOI:10.13204/jgyjzG21122715Field Tests and Numerical Simulations on Dynamic Characteristics of Loess SlopesZHANG ong1WANG Bin2(1Wuhan ailway Vocational College of Technology，Wuhan 430205，China;2China ailway Siyuan Survey and Design Group Co，Ltd，Wuhan 430063，China)Abstract:In order to study-dynamic characteristics of loess slopes，field vibration tests on a subgrade slope in theQin anTianshui south section of BaojiLanzhou High-Speed ailway were conducted，and a model of loess slopesexcited by seismic waves，vibration waves produced by train operation and the wave coupled with the both waves wereconstructed by the finite element software The dynamic responses of loess slopes by different vibration excitation ofthe above were calculated by the dynamic analysis method of two-dimensional equivalent linear time-historyresponses，and the influence of soil parameters on the vibration propagation was analyzed It was found that thevibration frequencies of waves produced by train operation were mainly in the range of 10 to 80 Hz，and the slopesurface and slope crest had an obvious amplification effect on vibration In addition，there were great differencesbetween seismic waves and operation vibration waves of trains in time and frequency domains The vibrationamplitudes of waves excited by trains were more concentrated，the single peak appeared regularly，however that ofseismic wave was discrete，the seismic waves were mainly in the vibration frequencies of 0.1 to 25 HzSimultaneously，the location of vibration amplification in loess slopes was not only impacted by vibration excitation，but also was closely related to the elastic modulus of soilKeywords:field test;vibration excitation;loess slope;site effect;dynamic response*湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目(B2020390)。第一作者:张荣，女，1989 年出生，硕士，讲师。电子信箱:15827397014 163com收稿日期:20211227我国是世界上黄土分布面积最广、厚度最大、成因类型最多的国家，特别是黄土高原地区地形地貌复杂多样，有塬、梁、峁、斜坡等诸多特殊的形态。黄土作为一种特殊的土体，具有强烈的动力易损性、强湿陷性和高致灾性。黄土高原地区地质构造复杂多样、新构造运动频繁强烈、断裂发育，1 与黄土有关的地质灾害也十分发育。同时，黄土高原地区地震频发，截至 2018 年，该地区历史记录到 6 级以上的地震有 118 次。2 黄土斜坡场地作为黄土高原地区典型的场地，在动力荷载作用下经常发生滑坡、崩塌等地质灾害，造成严重的经济损失。2008 年汶川 Ms 8.0 级大地震，除了对震源附近造成严重的损失外，对远离震源170工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期的黄土高原地区也造成了较严重的损失。3 2013 年甘肃漳县和岷县交界处发生 Ms 6.6 级地震，由于该地区也处于黄土高原地区，地质条件较复杂、河流纵横交错、山岭起伏多变，黄土覆盖层厚度大、土质疏松多孔，所以发生了严重的黄土滑坡、震陷和崩塌等地质灾害，受灾区域成片，密集分布，造成了严重的人员伤亡和经济损失。近年来，许多学者对动力作用下斜坡的稳定性及其场地效应进行了研究。文献 45根据 2008年汶川 Ms 8.0 级地震所造成的黄土地区地质灾害的调查结果，利用台站记录的资料、大型振动台和有限元数值模拟分析了黄土斜坡和黄土塬的动力响应，发现在坡顶位置对低频加速度峰值会有明显的放大现象。吴志坚等在现场考察的基础上，根据钻孔资料，利用有限元软件建立了典型的黄土场地模型，研究了在地震作用下黄土场地振动放大机制，发现随着黄土层厚度的增加其加速度、速度和位移都出现了放大现象，且地震波在黄土层中传播，高频成分被吸收，卓越频率向低频移动。6 石玉成等利用爆破振动作为振动激励研究了黄土斜坡的动力响应特征，研究表明斜坡体上的振动烈度主要受到地形条件的控制，且斜坡底部和斜坡上的地震动频谱特性存在着很大的差异。7 夏峰等对不同相位地震波输入下场地的振动响应特征进行了分析。8 另外，闫静茹等对不同场地对地面峰值加速度的放大特性进行了研究。9 随着国家“一带一路”战略的实施和“八横八纵”高速铁路网的基本建成，在黄土高原地区出现了一种新型的致振诱因 高速列车运行引起的振动。由于在黄土高原地区高速铁路沿线地形地貌复杂且黄土层厚度大，铁路沿线黄土斜坡场地的稳定性受到了强烈的影响。有关列车运行引起场地的振动，已有相关学者进行了研究:孟祥连等对在黄土地区的高铁沿线路基段平坦场地的振动进行了测试，发现场地振动的强度与列车运行速度和列车轴重有密切关系，且振动会在某个位置出现放大现象。10 陈建国等选择京广铁路沿线某段场地的振动进行了现场振动测试，研究列车运行引起振动的传播规律。1112 张光明分别选择高速铁路沿线路堤段和路堑段进行了现场振动测试，并根据现场测试概况建立了数值计算模型，分析了土体参数等变化对振动传播的影响。13 目前大多数对列车运行引起振动的研究主要集中在平坦场地，基本未考虑复杂地形地貌的影响，且有关地震和列车运行引起场地效应的对比研究较少。另外，由于高速铁路的快速发展，铁路沿线分布着特殊的地形地貌，但主要以斜坡场地居多，另外由于列车运行的激励，使得沿线的斜坡场地产生振动，甚至造成斜坡场地的滑动，影响列车的安全运行。由于黄土高原地区地震频发，在地震与列车运行耦合激励下黄土斜坡场地的动力特性更应引起关注。宝兰高速铁路位于陕西省西部和甘肃省东部地区，而甘肃省东部地区是我国黄土厚度大的主要区域之一，该地区内与黄土有关的地质灾害频发，灾害类型多、分布范围广、危害严重。滑坡是该区域最为严重和发育最密集的地质灾害，具有明显继承性和多期性，尤其长期动力作用会对该地区黄土斜坡的稳定性产生显著的影响。针对上述问题，选取宝兰高铁秦安天水南段某路基段斜坡场地进行现场振动测试，对测试振动信号进行时域和频域分析，并建立黄土斜坡场地数值计算模型，分别计算在列车运行激励、地震激励及其耦合作用下黄土斜坡的动力响应以及土体参数变化对振动传播的影响。1现场振动测试1.1现场测试概况测试点为宝兰高铁秦安天水南某路基段斜坡场地。该地区黄土的弹性模量为 74 MPa，泊松比为0.31，密度为 1.5 t/m3，摩擦角为 14，黏聚力为 54MPa。1 现场分别在坡底、坡面和坡顶布置四个测点，如图 1 所示。测试仪器使用东华测振仪测试地面竖向加速度。图 1现场测点布置mFig1Arrangements of measurement points1.2振动测试结果分析现场共记录到 10 辆列车通过该测试断面时的振动信号，以其中列车型号为 CH380B，车厢编组为 8 节通过时为例进行各测点振动信号分析，其振动加速度时程曲线如图 2 所示。从中可以看出:各测点的振动持时基本相同，大约为 6.5 s，各测点的时程曲线形态有明显不同，四个测点的加速度峰值分别为 2.89，3.97，4.30，2.88 cm/s2，显然坡面测点2 和坡顶测点 3 的振动加速度峰值要大于其他两测点的，这说明振动在坡面和坡顶出现了放大。为进一步说明斜坡场地对振动的放大作用，对不同列车通过时各测点的加速度峰值进行分析，从图 3 可见:不同列车通过时振动加速度峰值的变化黄土斜坡场地动力特性的现场测试和数值模拟 张荣，等171a测点 1;b测点 2;c测点 3;d测点 4。图 2振动加速度时程曲线Fig2Time-history curves of aceleration at differentmeasuring points1 号列车;2 号列车;3 号列车;4 号列车;5 号列车;6 号列车;7 号列车;8 号列车;9 号列车;10 号列车。图 3不同列车通过时各测点的峰值加速度Fig3Peak ground acceleration at each test pointduring a train in operation规律基本相同，在测点 2 和测点 3 都出现了明显的放大现象，且在测点 3 的放大现象最为明显;但 10号列车通过时测点 3 的峰值加速度出现了衰减，可能是因为列车速度不同所引起的。由于振动频谱特性能够反映出振动的频率成分和振动能量的分布情况，因此为了进一步分析各个测点的振动特性，对加速度时程曲线进行傅里叶变换，得到各测点的加速度频谱曲线，如图 4 所示。可以看出:四个测点的振动频率主要分布